Терморозширений графіт, властивості, сфери застосування
Зміна фізико-механічних характеристик зумовлена зміною структури наповнених полімерів. Змінюється характер руйнування ПКМ з урахуванням ПЕ. Ненаповнений ПЕ при додатку розтягуючих навантажень деформується з утворенням «шийки», тобто здатний до утворення та розвитку вимушено-еластичної деформації.
Поліетилен, наповнений як вихідними, так і подрібненими відходами, при розтягуючих навантаженнях втрачає здатність до виникнення та розвитку вимушено-еластичної деформації, зменшується відносне подовження.
Зразки, що містять лушпиння менших розмірів мають кращу здатність до деформації, що пов'язано з більш рівномірним розподілом наповнювача.
Таким чином, в результаті досліджень була показана можливість застосування відходів обмолоту проса як наповнювач ПЕ. Зазначено, що введення даних відходів дозволяє переробляти композицію методом екструзії за збереження фізико-механічних властивостей та термостійкості ПЕ зі зниженням його вартості. Можливе також одержання біодеградованих композитів.
3. Терморозширений графіт, властивості, сфери застосування
Однокомпонентні системи з вуглецю представлені різноманіттям структурних форм: алмаз; графіт; вугілля, карбін, вуглецеві волокна, сажі; нещодавно відкриті фулерени та нанотрубки. Щодо нового матеріалу - терморозширений графіт (ТРГ) також складається з чистого вуглецю, але має піноподібну структуру. Насипна щільність зразків ТРГ коливається в широких межах (110г/дм3) і визначається умовами його отримання [15-17]. Пікнометрична щільність ТРГ по воді становить 0,4-0,9 г/см3 [18], питома поверхня дорівнює 15 100 м2/г вуглецю. Як і графіт, ТРГ хімічно інертний, електропровідність та теплопровідність визначаються поровийструктурою матеріалу, і можуть змінюватись у широких межах.
Загальний принцип, закладений основою різних методів отримання ТРГ, полягає у впровадженні в міжшарові простору графіту речовин чи сполук, які за швидкому нагріванні або самі перетворюються на газоподібний стан, або продукти їх розпаду є газами [19,20]. Прямому термоудару може бути підданий інтеркалірований графіт (ІГ) з солями, наприклад, C6FeCl3 [21]. При утворенні токсичних продуктів або отримання ТРГ підвищеної чистоти, ІГ попередньо до термообробки (ТО) гідролізується. Так в ІГ з кислотами в результаті гідролізу відбувається повна заміна інтеркалату (впровадженого шару) на гідроксил-іони та воду [22]:
C+24HSO-4 × 2H2SO + 3H2O ® C+24OH- × 2H2O + 3H2SO4 (1)
Механізм перетворення ІД на пенографіт ще недостатньо зрозумілий. Автори [23] припускають, що після швидкого видалення деякої кількості впроваджених частинок міжшарового простору графітової матриці, вуглецеві сітки обрушуються, руйнуючи сусідні площини. Розмір зерен вихідного графіту повинен бути 75 мкм з розмірами кристалів не менше 75 нм. Подібні дані наводяться у роботі [24].
Процес терморозширення графіту представляється як фазовий перехід, викликаний виходом інтеркалюючого агента з ІД. Ступінь спінювання залежить від умов синтезу та складу отриманого ІГ, а також від структури та розмірів частинок вихідної вуглецевої сировини.
Відповідно до [25], спочатку при розширенні відбувається розщеплення кристалітів вздовж осі "С" на тонкі пачки-стрічки з невеликого числа атомних площин з одночасною їх деформацією, внаслідок чого утворюється об'ємна складчаста структура. Рушійною силою цього процесу є прагнення частинок до мінімізації поверхні приданому обсязі. Червоподібні і циліндричні форми частинок, що при цьому виникають, є закритою поверхнею, всередині якої, мабуть, містяться залишкові продукти розкладання (рис.1). Автори [25] морфологію пінографіту образно репрезентують у вигляді довільно скручених тонких аркушів паперу. Вони також констатують, що при термообробці відбувається зменшення розмірів кристалітів по осі "С" та зниження ступеня кристалічного порядку. Діяльність [26] зазначається, що розміри кристаллітів по осі " З " практично змінюються.
Червоподібна форма частинок пінографіту пояснюється розворотом плоских вуглецевих сіток, що розклинюються по торцевій поверхні кристаліту поверхневими групами. Вплив структури вихідного графіту на процес подальшого терморозширення обговорюється в роботах [24,27], в яких показано, що наявність дефектів та зниження ступеня впорядкованості вздовж осі "З" зменшують ступінь спінювання.
В даний час переважну частку (до 50 тис.т/рік) ТРГ переробляють на гнучку графітову фольгу та пресовані вироби. Фольгу отримують прокаткою на системі вальців в одному циклі з без введення сполучного. Зчеплення між частинками ТРГ та гнучкість фольги забезпечує розгалужена піноподібна структура. В результаті отримують рулонні матеріали товщиною 0,15?1,5мм, щільністю 0,7?1,2г/см3, міцністю на розтяг 4?7МПа і питомим електроопір 0,3?0,7?10-4Ом?м [28] . Спектр застосування фольги та пресованих виробів із ТРГ надзвичайно широкий. Завдяки високій інертності до агресивних середовищ, термостабільності у поєднанні з пружністю та пластичністю вуглецеві матеріали на основі ТРГ повсюдно витісняють такі традиційні ущільнювальні та прокладні матеріали як азбест, пороніт, фторопласт, мідь, свинець. Особливоефективно їх застосування у хімічному, нафтогазовому машинобудуванні [29], паливно-енергетичному комплексі [30,31], комунальному господарстві. Вони забезпечують зниження аварійності, витрат на ремонт обладнання, екологічну безпеку.
Особливе застосування знаходять композити, до складу яких входить інтеркалірований графіт. Процес його терморозширення під впливом відкритого полум'я або нагрівання призводить до утворення негорючого термоізоляційного покриття з одночасним виділенням СО та СО2, що уповільнює та пригнічує горіння. Такі композити як рулонних матеріалів, паст, фарб отримали назву активних вогнезахисних матеріалів [32,33]. Вітчизняні матеріали (НВО ²УНІХІМТЕК²), що випускаються в даний час, використовуються для захисту електричних кабелів, створення протипожежних дверей і перегородок, вогнезахисту будівельних конструкцій.
Дуже різноманітні галузі застосування ТРГ та матеріалів на його основі, унікальне поєднання властивостей виробів, зростаючий попит споживачів стимулюють розвиток технології виробництва та переробки інтеркованого графіту. Зараз інтеркалірований графіт промислово одержують переважно за хімічною технологією, окислюючи вуглецеву сировину в концентрованих сірчаній чи азотній кислотах. Для цього H2SO4 вводять додатково окислювач (K2Cr2O7, HNO3, KMnO7, H2O2 та ін), в азотній кислоті на процес окислення графітової матриці витрачається частина HNO3. У загальному вигляді утворення бісульфату (БГ) та нітрату графіту (НГ) здійснюється за реакціями [22]:
24nC + Oxz + 3H2SO4 ® C+24n × HSO4- × 2H2SO4 + HOx(z-1) (2)